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高強塑梯度納米位錯結構高熵合金研究取得重要進展
 
2021-09-24 | 文章来源:材料动力学研究部        【 】【打印】【關閉

  金屬材料的塑性變形通常基于全位錯的增殖運動、孿生、剪切或相變來協調。其中,位錯常被視爲塑性變形的基本載體,通過與其它結構缺陷(如晶界、孿晶界、相界等)發生交互作用而強韌化材料;在大塑性變形時,則通過形成小角度位錯界演變爲大角晶界,實現細晶強化。但位錯結構本身強化效應有限,尤其是不全位錯主導的變形及強化行爲鮮有報道。 

  近年來,多主組元高熵合金因其近乎無限的成分區間、獨特的化學短程有序結構和優異的力學性能而備受關注。但大量深入研究發現長期制約傳統金屬結構材料發展的“強度-塑性”倒置關系在高熵合金中依然普遍存在,原因是其塑性變形機制往往被認爲與傳統金屬材料並無本質差別。因此,迫切需要借助新穎的微觀結構構築來揭示高熵合金是否具有獨特變形機制,以豐富金屬材料的有效強韌化策略。 

  近期,金屬所沈陽材料科學國家研究中心盧磊研究員團隊與美國田納西大學、橡樹嶺國家實驗室、阿貢國家實驗室的科學家合作在這一科學難題研究方面取得重要進展,相關研究結果于923日在《科學》(Science)周刊上以First Release形式在線發布。其中,潘慶松副研究員、博士生張良學以及美國橡樹嶺國家實驗室馮瑞博士爲共同第一作者。 

  研究人員通過一種簡單、高效的小角度往複扭轉梯度塑性變形技術,保持Al0.1CoCrFeNi高熵合金棒材樣品中原始晶粒的形貌、尺寸和取向不變的同時,在晶粒內部成功引入百納米尺度位錯胞穩定結構。隨距樣品表面深度增加,位錯胞尺寸逐漸增加,位錯密度隨之降低,實現了位錯胞結構從樣品表面至芯部的梯度序構分布和可控制備。拉伸結果表明:梯度位錯胞結構不僅顯著提高材料屈服強度,同時還使其保持良好的塑性和穩定的加工硬化。梯度位錯結構高熵合金的強塑積-屈服強度匹配明顯優于文獻報道中相同成分的均勻或梯度結構材料。 

  結合高分辨透射電子顯微技術、同步輻射X射線、原位中子衍射等多尺度微觀結構表征技術,發現高熵合金中梯度位錯結構在塑性變形過程中激活了不全位錯--層錯誘導塑性變形機制。變形初期,亞十納米細小層錯即從位錯胞壁萌生、滑移擴展,其密度隨拉伸應變增加而增加,逐漸演變成超高密度三維層錯(和少量孿晶界)網格,直至布滿整個晶粒。超高密度細小層錯/孿晶的形成有效協調其塑性變形細化初始位錯結構、阻礙其它缺陷運動而貢獻強度和加工硬化。這一新的層錯強韌化機制不同于傳統結構材料的全位錯強化,與高熵合金中空間波動的低層錯能、納米尺度位錯胞結構以及梯度序構效應引起的複雜應力場密不可分。該工作揭示了高熵合金特有的變形機理,也表明簡單、易行的往複扭轉梯度塑性變形技術可廣泛用于梯度結構材料的構築與制備,具有重要的基礎研究和應用價值。 

  该研究工作获得国家自然科学基金委、中國科學院、辽宁“兴辽英才计划”及沈阳材料科学国家研究中心等项目资助。 

  論文鏈接 

  图1 Al0.1CoCrFeNi高熵合金中典型梯度位錯結構。距离样品表面1.2 mm内(A, B)以及芯部(G, H)的截面EBSD结果显示晶粒 (形貌、尺寸、取向)以及内部位错结构在空间上的分布特征;(C) 梯度位错胞结构示意图;(D-E) 表层晶粒内典型位错胞TEM结果显示平均位错胞尺寸为200 nm,胞壁取向差介于0.7o -4.8o;(F) 对应D图单个晶粒内跨过诸多位错胞的累积取向差仅为7o

  图2 梯度位错结构Al0.1CoCrFeNi高熵合金的力學性能和變形機制。(A) 拉伸工程应力-应变曲线;(B) 强塑积与归一化屈服强度曲线,表明梯度位错结构高熵合金的综合力学性能优于相同成分的其它均匀结构和梯度结构,同时也优于文献中其它梯度纳米晶和梯度纳米孪晶结构金属和合金;(C-D) 拉伸应变为3%时典型变形结构的HAADF-STEM结果表明梯度位错结构的塑性变形通过独特的超高密度亚十纳米层错和少量孪晶界协调。

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